Corrélations multi-corps dans les simulations ab initio du transport électronique quantique : une application aux dispositifs OxRAM de nouvelle génération

par Alberto Dragoni

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée et du rayonnement

Le président du jury était Denis Basko.

Le jury était composé de Alessandro Cresti.

Les rapporteurs étaient Fabienne Michelini, Gian-Marco Rignanese.


  • Résumé

    Les mémoires résistives non volatiles basées sur les oxydes (OxRAM) acquièrent récemment un grand intérêt pour leurs performances, ce qui en fait des candidats prometteurs comme mémoire de stockage pour remplacer la technologie flash, et comme mémoires intégrées pour les applications réseau de neurones. Néanmoins, les dispositifs OxRAM émergents présentent encore certains inconvénients, comme la non-uniformité des paramètres de commutation et les défaillances de commutation. Surmonter ces inconvénients exige une compréhension plus profonde des principes de fonctionnement de l’OxRAM, jusqu’à présent pas complètement compris. Ceci peut être réalisé au moyen de simulations textit{ab initio}. Ce travail présente donc une étude approfondie de HfO$_2$, qui fait partie des matériaux les plus prometteurs pour la construction de dispositifs OxRAM, au moyen de calculs précis des états de quasi-particules (QP). Une étude des propriétés du transport électronique dans les dispositifs OxRAM est également de première importance. Toutefois, cela nécessite un cadre théorique solide et fiable afin de calculer la conductance des jonctions métal/isolant. L’approche standard, basée sur la théorie fonctionnelle de la densité, le formalisme de la fonction de Green et la formule de Landauer, a quelques limites et soucis de fiabilité. Ce travail propose une approche plus fiable basée sur les calculs QP, qui fournissent une structure électronique plus précise pour calculer la conductance, et teste en grande partie cette nouvelle méthode sur différentes jonctions imitant les dispositifs OxRAM.

  • Titre traduit

    Many body correlations in ab initio simulations of electronic quantum transport : an application to advanced generation OxRAM devices


  • Résumé

    Resistive non-volatile memories based on oxides (OxRAM) are recently acquiring a wide interest for their performances, which make them promising candidates as storage memories to replace flash technology, and as embedded memories for neural network applications. Nevertheless, emerging OxRAM devices still present some drawbacks, like non-uniformity of switching parameters and switching failures. Overcoming these drawbacks requires a deeper comprehension of the OxRAM working principles, so far not completely understood. This can be achieved by means of textit{ab initio} simulations. Hence this work presents a careful characterization of HfO$_2$, which is within the most promising materials to build OxRAM devices, by means of accurate quasi-particle (QP) calculations. A study of the electronic transport properties in OxRAM devices is also of primary importance. However, this requires a robust and reliable theoretical framework to compute the conductance of bulk metal/insulator junctions. The standard approach, based on density functional theory, Green function formalism, and Landauer formula, has some limitations and reliability issues. This work proposes a more reliable approach based on QP calculations, which provide a more accurate electronic structure to compute the conductance, and largely tests this new method on different junctions mimicking OxRAM devices.


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